多線陣列激光三維掃描系統(tǒng)及多線陣列激光三維掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及物體表面幾何形狀的三維掃描技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多線陣列激光三維掃描系統(tǒng)及多線陣列激光三維掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，三維掃描作為一種快速三維數(shù)字化技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，包括逆向工程、工業(yè)檢測、計算機視覺、CG制作等等，特別是在當(dāng)前發(fā)展迅猛的3D打印和智能制造領(lǐng)域，三維掃描作為前端三維數(shù)字化和三維視覺傳感技術(shù)，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)鏈上的重要一環(huán)；同時，各類應(yīng)用在三維掃描設(shè)備的成本、實用性、精確性和可靠性等諸多方面提出了更高的要求。
[0003]光學(xué)三維掃描是三維數(shù)字化領(lǐng)域最常見的一種現(xiàn)代化技術(shù)手段，較高測量效率和較高的精度兼?zhèn)涫羌夹g(shù)的突出特點。白光三維掃描是一種傳統(tǒng)的光學(xué)掃描技術(shù)，通過光柵投影在物體表面進行編碼標(biāo)記，再由相機拍照進行三角測量，在三維測量領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，其特點是精度高、空間分辨率高，數(shù)據(jù)質(zhì)量較為精細(xì)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，各種復(fù)雜使用環(huán)境對三維掃描技術(shù)提出了新的要求，例如人們希望設(shè)備具有更高的掃描便捷性以及更好的光學(xué)抗干擾性能，掃描流程能夠更加快速自如，盡可能地省去不必要的環(huán)節(jié)，并能夠在大多數(shù)的光線環(huán)境下完成測量。白光掃描設(shè)備由于自身的光柵投影器結(jié)構(gòu)以及依賴時序編碼的測量原理限制，體積和重量較大，并且需要三腳架等穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)輔助測量，測量便捷性有所局限；另外，白光光源亮度有限，測量受環(huán)境光和物體本身顏色材質(zhì)等光學(xué)屬性影響較大，在較亮的環(huán)境中或面向較深顏色的物體，都難以進行有效測量。
[0004]為了彌補白光三維掃描技術(shù)的不足，一種以線激光作為光源的掃描技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)仍然是基于多目視覺的三角測量原理，不同的是采用線激光作為圖案投影器，圖案簡單且不隨時間改變，激光器小巧結(jié)構(gòu)簡單，掃描設(shè)備隨之變得輕便，且無需額外支撐穩(wěn)定裝置輔助測量，可以手持測量是其典型特征；同時，激光線中心亮度極高，可以適應(yīng)大多數(shù)光線環(huán)境或深色物體對象的掃描。然而現(xiàn)有的激光三維掃描技術(shù)在面向整個三維掃描領(lǐng)域普及之前，仍然存在幾大重要問題亟待解決:
[0005]掃描效率與成本優(yōu)勢不可兼得。單線激光掃描技術(shù)實現(xiàn)較為簡單，成本較低，但掃描性能受到很大限制，掃描速度慢，使得實用性有限；而多線激光掃描技術(shù)掃描速度有較大提升，但由于依賴特殊訂制的激光發(fā)生器，工藝復(fù)雜且成本很高，同樣為技術(shù)的普及應(yīng)用帶來阻礙。
[0006]使用壽命低。持續(xù)滿功率的掃描工作使得光學(xué)器件特別是各類LED元件(激光器LED以及LED照明燈等)光衰加劇直接導(dǎo)致掃描性能(包括數(shù)據(jù)質(zhì)量和掃描速度)下降；另外，持續(xù)工作的LED大量發(fā)熱也帶來設(shè)備散熱問題，良好的散熱性能與小巧輕便的整體結(jié)構(gòu)要求相矛盾，而散熱性能不好除了造成光學(xué)元件過早失效外，還可能影響整個掃描結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變形，導(dǎo)致掃描精度的損失。
[0007]掃描誤拼接率較高，可靠性缺乏保障。傳統(tǒng)的標(biāo)記點拼接技術(shù)存在誤拼接率高的問題，其表現(xiàn)是多次掃描的數(shù)據(jù)在統(tǒng)一配準(zhǔn)到同一個坐標(biāo)系時出現(xiàn)歧義，導(dǎo)致某片掃描數(shù)據(jù)脫離整體數(shù)據(jù)，生成錯誤模型。這個問題在白光三維掃描過程中可以在每次單面掃描之后通過手動刪除等方法解決，但在連續(xù)掃描模式下的激光三維掃描過程中無法采用類似方法解決，因此出現(xiàn)誤拼接后通常需要重新掃描，大大影響工作效率。
[0008]掃描精度低。激光掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量與多種因素有關(guān)，其中工作距離控制是一大重要因素，景深一定的情況下，工作距離變化超過景深大小會造成圖像模糊導(dǎo)致數(shù)據(jù)噪聲大，精度大幅降低。傳統(tǒng)的激光掃描技術(shù)中工作距離主要依靠操作人員主觀判斷，在持續(xù)掃描的過程中工作距離難以準(zhǔn)確控制，導(dǎo)致掃描精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了解決上述技術(shù)問題的一種多線陣列激光三維掃描系統(tǒng)及多線陣列激光三維掃描方法。
[0010]第一方面，本發(fā)明提供了一種多線陣列激光三維掃描系統(tǒng)，包括:多線陣列激光三維掃描設(shè)備和上位機，所述多線陣列激光三維掃描設(shè)備包括可編程門陣列FPGA、至少一個立體視覺圖像傳感器、慣性傳感器、線激光器陣列和誤差反饋控制器，所述可編程門陣列FPGA與所述立體視覺圖像傳感器、慣性傳感器、線激光器陣列和誤差反饋控制器分別相連，所述上位機分別與所述可編程門陣列FPGA、立體視覺圖像傳感器和慣性傳感器相連；
[0011]所述可編程門陣列FPGA，用于向所述線激光器陣列發(fā)送第一觸發(fā)信號，以使所述線激光器陣列根據(jù)所述第一觸發(fā)信號頻閃照射被測物體的表面；
[0012]所述可編程門陣列FPGA，還用于向所述立體視覺圖像傳感器發(fā)送第二觸發(fā)信號，以使所述立體視覺圖像傳感器根據(jù)所述第二觸發(fā)信號對被測物體進行曝光拍攝，并將拍攝的圖像對發(fā)送至上位機；
[0013]所述可編程門陣列FPGA，還用于向所述慣性傳感器發(fā)送第三觸發(fā)信號，以使所述慣性傳感器根據(jù)所述第三觸發(fā)信號將多線陣列激光三維掃描設(shè)備的位姿信息發(fā)送至上位機；
[0014]所述上位機，還用于對測量數(shù)據(jù)實時進行誤差評估并將評估結(jié)果反饋至可編程門陣列FPGA ；
[0015]所述可編程門陣列FPGA，還用于在接收到所述上位機反饋的評估結(jié)果后，根據(jù)所述評估結(jié)果向所述誤差反饋控制器發(fā)送控制信號，并根據(jù)所述評估結(jié)果調(diào)整所述激光三維掃描設(shè)備與被測物體的距離；
[0016]所述上位機，用于對所述立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對中的激光線進行編碼和解碼；
[0017]所述上位機，還用于對被測物體圖像對中的特征點以及所述被測物體的表面反射的激光線進行三維重建；
[0018]所述上位機，還用于以所述慣性傳感器回傳的位姿信息以及特征點為基準(zhǔn)，將不同幀上的三維激光線數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系中生成形面點云。
[0019]可選的，所述可編程門陣列FPGA，還用于接收所述上位機發(fā)送的預(yù)設(shè)脈沖觸發(fā)信號和預(yù)設(shè)曝光時間，并根據(jù)所述預(yù)設(shè)脈沖觸發(fā)信號，分別向所述線激光器陣列發(fā)送第一觸發(fā)信號和向所述慣性傳感器發(fā)送第三觸發(fā)信號，并根據(jù)所述預(yù)設(shè)曝光時間向所述立體視覺圖像傳感器發(fā)送第二觸發(fā)信號。
[0020]可選的，所述誤差反饋控制器，用于接收所述可編程門陣列FPGA發(fā)送的控制信號，輸出與所述控制信號對應(yīng)的指示燈光。
[0021]可選的，所述誤差反饋控制器為變色LED燈，包括紅、綠、藍三種基色組合的光。
[0022]可選的，所述立體視覺圖像傳感器為多目視覺圖像傳感器，由兩個或兩個以上的光學(xué)相機組成。
[0023]可選的，所述立體視覺傳感器中設(shè)置有照明裝置。
[0024]可選的，所述照明裝置的照射時間與所述立體視覺傳感器的曝光時間同步。
[0025]可選的，所述線激光器陣列包括由多個線激光器按照矩陣式的排列方式組成。
[0026]可選的，所述上位機，用于對所述特征點進行跟蹤，并通過跟蹤相鄰時間幀間的同名特征點，將不同幀上的三維激光線數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)系中。
[0027]可選的，所述上位機，還用于實時評估所述激光三維掃描設(shè)備與被測物體的距離，并在所述距離超出預(yù)設(shè)距離時，向所述可編程門陣列FPGA反饋評估結(jié)果。
[0028]可選的，所述上位機上還設(shè)置有通訊接口，所述通訊接口用于向與所述上位機連接的控制設(shè)備進行通訊，以使所述控制設(shè)備調(diào)整所述多線陣列激光三維掃描設(shè)備與被測物體間的距離。
[0029]第二方面，本發(fā)明還提供了一種基于上述的多線陣列激光三維掃描系統(tǒng)的多線陣列激光三維掃描方法，包括:
[0030]所述可編程門陣列FPGA向所述線激光器陣列發(fā)送第一觸發(fā)信號，以使所述線激光陣列根據(jù)所述第一觸發(fā)信號頻閃照射被測物體的表面；
[0031]所述可編程門陣列FPGA向所述立體視覺圖像傳感器發(fā)送第二觸發(fā)信號，以使所述立體視覺圖像傳感器根據(jù)所述第二觸發(fā)信號對被測物體進行曝光拍攝，并將拍攝的圖像對發(fā)送至上位機；
[0032]所述上位機對所述立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對中被測物體的表面反射的激光線進行編碼解碼；
[0033]所述上位機對所述立體視覺圖像傳感器拍攝的圖像對中被測物體特征點以及所述被測